《Nano Energy》：Chinese-Dragon-Boat-Inspired Triboelectric Nanogenerator Suppressing Displacement-Current Circulation for Harvesting Low-Grade Vibration Energy
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同步相位堆叠TENG通过机械与电气同相位设计，消除位移累积并抑制位移电流内循环，实现273%能量增益，峰值功率87.5mW，可高效捕获真空泵高频振动和骑行低频振动，为低功耗物联网设备供电。
Xinchun Wang|Hang Xiong|Jiahui Jiang|Wei Tang|Lingyu Wan|Boxun Liu|Guanlin Liu|Jianzhuang Xiao
中国广西科技大学物理科学与技术学院纳米能源研究中心，南宁530004
摘要
传统的堆叠并联摩擦电纳米发电机阵列通常面临两个主要问题：(i) 在弱振动下，宏观尺度的行程积累限制了输出；(ii) 由于单元之间的共享端口电荷重新分配，导致微观尺度的有害内部位移电流循环。受中国龙舟比赛中同步划桨的启发，我们提出了一种堆叠同相摩擦电纳米发电机，解决了这两个瓶颈问题。在宏观尺度上，同相的机械和电气架构消除了行程积累，从而充分利用了可用的行程。在微观尺度上，同步的接触-分离与同相的电气输出相结合，促进了共享端口处的等势电荷转移，从而抑制了由位移电流循环引起的内部能量损失。等效机械建模、多物理场模拟和实验结果共同验证了这种同步带来的性能提升。在10 MΩ负载电阻下，优化后的阵列实现了273%的能量增益，能够输出高达5.5 mA的脉冲电流，峰值功率为87.5 mW，并在60秒内将6.8 mF的电容器充电至2.9 V。现场演示证明了其强大的环境适应性：真空泵产生的高频振动以及骑行过程中道路引起的低频振动都能被收集用于为传感设备供电。所提出的同相架构为收集低级振动提供了一种有效的方法，并为未来的高度集成摩擦电纳米发电机提供了可扩展的优化策略。
引言
振动能量是一种普遍存在的、低等级且清洁的能源，既存在于自然环境中，也存在于工程系统中。它广泛来源于机械操作和维护[2]、铁路和交通系统[3][4]以及桥梁振动[5]等场景。同时，随着分布式传感和物联网在基础设施和工业设备状态监测中的大规模应用[6]，大量传感器的供电和维护成本逐渐成为实际实施的瓶颈[7]。为了实现双碳目标（碳峰值和碳中和），通过收集环境振动来减少电池更换和维护可以进一步降低物联网传感器部署的生命周期碳足迹。因此，针对弱激励设计的振动能量收集器被视为实现自供电传感器的重要途径[8][9]。然而，由于振动源的能量密度较低且可用位移较小，传统的电磁收集器往往具有较高的启动阈值，并且在微振动条件下难以小型化[10]。压电收集器可以实现相对较高的能量转换效率[11]，但其材料和封装过程更为复杂和昂贵，且在低频操作下的输出通常受到限制。因此，开发高效、紧凑且易于集成的低级振动能量收集器具有重要意义。
自2012年提出摩擦电纳米发电机（TENG）以来[12]，这种基于接触电化和静电感应耦合机制的发电机能够在低频振动下提供高电压输出，同时具有结构简单[13]、强大的环境适应性[14]以及良好的阵列集成能力[15]。然而，单个TENG传递的电荷和电流仍不足以满足许多应用中的持续供电需求[16]。因此，高密度集成多个单元单元已成为提高总输出和功率密度的主要策略之一[17][18]。集成设计的代表性单元单元输出模式包括接触-分离模式和滚动球模式[19][20][21]。这类系统已经从少数单元扩展到数百个单元，甚至达到米级设备[22][23][24]，并在收集机械振动[25][26]、海洋能量[27][28]和液滴能量[29][30]方面取得了进展。
在现有的高密度堆叠TENG中[31]，尽管不同单元单元的电极通常是并联连接的，但接触和分离过程通常是通过级联顺序驱动（异步操作）来实现的。相邻单元单元在端到端之间机械耦合：一个单元的位移作为下一个单元的驱动输入，导致沿堆叠方向依次接触和分离。这种顺序驱动的一个关键缺点是位移必须逐步传递并沿堆叠方向积累。为了获得每个单元单元所需的有效间隙，系统通常需要比单元间距大得多的整体行程[32]。当外部激励有限时，每个单元单元的实际分离幅度变得不足，从而限制了输出的提升。同时，单元单元之间的不同步可能会引入内部循环损失，进一步抑制输出性能。尽管分层单元设计和行程限制结构可以在一定程度上缓解位移积累[23]，但它们以增加空间占用为代价。相比之下，机械同步的接触-分离结构可以在相同激励下实现多个单元单元的同步接触-分离[33]，因此在小位移激励下更适合高密度集成。然而，同步操作的接触-分离TENG的高密度实现仍然相对有限，大多数研究仍然集中在堆叠少量单元上[34]。这一限制不仅是因为制造和组装复杂性的增加，还因为集成后的单元间耦合机制尚未完全明确。在麦克斯韦位移电流框架内[35]，当单元单元在不同相位下运行时，它们可能会共享电极，同时不保持相同的电势。这种不匹配会在共享电极端口（公共节点）附近引发重复的电荷重新分配，导致部分位移电流在阵列内部循环而不是流经外部负载。我们将这种现象称为内部位移电流循环（DCC）。这种循环不仅抵消了阵列的集成增益，还降低了电源管理电路对高压脉冲的响应可靠性，从而在“输出-管理-存储”链中引入了级联损失。这个问题类似于中国龙舟比赛：当划桨不同步时，推力相互抵消，能量在内部耗散。只有当“单元动作”在时间和相位上对齐时，分散的贡献才能转化为可用的净输出。同样，最近的研究表明，机械优化是提高能量收集器性能的有效途径，无需依赖主动电气控制[36]。典型的例子包括通过机械调节激励方向、传输路径和动态响应来提高复杂运动下的能量传输效率[37][38]。
受同步划桨和这种更广泛的机械调制概念的启发，我们提出了一种交错堆叠同相摩擦电纳米发电机（SC-TENG），其采用交错的多层钢板。钢板-聚四氟乙烯（PTFE）单元单元被组装成毫米级间距的高密度堆叠。为了消除分离过程中的行程积累，每个单元单元的两个电极通过移动组件和固定框架均匀约束，从而在所有单元单元之间实现机械同步的接触-分离，而不会显著增加整体行程。同时，电相位相同的输出（同相）并行配置减少了共享端口处的电荷重新分配，从而抑制了内部DCC。我们通过I-Q-V测量和能量管理评估将SC-TENG与单单元设备和异步堆叠的对应设备进行了对比，并进一步使用有限元模拟量化了电场串扰，结果显示单元单元电极架构内具有强大的静电屏蔽效果[39]。这些结果确定共享端口引起的电荷重新分配是异步堆叠中输出抑制的主要原因，通过等效电容和动态模型可以统一解释这一现象。在3 mm的激励幅度下，SC-TENG在匹配负载下实现了87.5 mW的峰值功率。通过气体放电管触发的电源管理电路，它可以在60秒内将6.8 mF的电容器充电至2.9 V，并同时为25个商用温湿度计供电。除了受控测试外，SC-TENG还能有效收集来自各种实际来源的低级振动——包括真空泵的微米级振动和骑行过程中的道路振动——并实现了直接供电和电源管理电路辅助的能量存储的实际演示。这些结果强调了其强大的环境适应性，并为高度集成的、可应用的TENG系统建立了可扩展的同相集成策略。
SC-TENG的结构设计和工作原理
在中国传统的龙舟文化中，龙舟比赛体现了集体努力和团结的精神，成功取决于协调一致的划桨动作；步调不一致的划桨会浪费努力。同步将推力集中在一个方向上，减少了推进推力和恢复阻力之间的抵消，最小化了流动中断，从而将分散的输入转化为更稳定的净前向动量，这一过程得到了船只惯性的辅助（图1a）。受此启发
结论
总之，受中国龙舟比赛同步性的启发，我们提出了一种交错堆叠的SC-TENG，用于高效收集低级振动能量。本研究的关键发现是，高密度堆叠TENG阵列的输出限制不仅源于幅度限制，还源于相位不匹配引起的内部电荷重新分配。通过强制所有单元单元之间的同步接触-分离并保持电相位相同的输出，SC-TENG
验证位移电流循环损失的设备制造（S-TENG、A-TENG和SC-TENG）
所有电极均由激光切割的硅-锰钢板制成，厚度为0.2 mm。详细几何形状见图S1（支持信息），有效接触面积为82 mm × 82 mm。为了实现快速且可重复的电气连接，每块钢板都包含一个椭圆形的标签和一个2 mm直径的孔。使用2 mm直径的钢棒作为母线来连接相同极性的电极，形成一个共享端口并避免
CRediT作者贡献声明
Jiahui Jiang：可视化、软件。Lingyu Wan：写作 – 审稿与编辑、撰写原始稿件、监督、资源获取、概念化。Hang Xiong：可视化、调查。Xinchun Wang：写作 – 审稿与编辑、撰写原始稿件、可视化、调查、数据管理、概念化。Jianzhuang Xiao：写作 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金获取。Guanlin Liu：监督、方法论。Boxun Liu：验证，利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家科技部重点研发项目（2021YFA1201603）、广西壮族自治区百贵学者计划以及北京高熵能源材料与器件重点实验室（编号GS2025ZD003）的支持
Xinchun Wang是广西科技大学物理与工程技术学院的研究生。他于2023年获得广西大学的物理学学士学位。他目前的研究重点是利用摩擦电纳米发电机收集蓝色能量。
